Tā kā elektronisko ierīču integrālās shēmas kļūst arvien sarežģītākas un mikroshēmu izmēri turpina sarukt, pārmērīga siltuma uzkrāšanās darbības laikā pasliktina ierīces veiktspēju un pat var izraisīt īssavienojumus un citas kļūmes. Lai nodrošinātu stabilu, drošu un efektīvu elektronisko iekārtu darbību, pētniecības uzmanības centrā ir kļuvusi iepakojuma materiālu izstrāde ar augstu siltumvadītspēju, zemu siltuma izplešanās koeficientu, zemu blīvumu un izcilu lieces izturību.
01 Dimants/silīcija karbīds: jaudīga kombinācija siltuma pārvaldībai
Dimantam ir visaugstākā siltumvadītspēja no visiem cilvēkiem zināmajiem dabiski sastopamajiem materiāliem, apvienojumā ar zemu termiskās izplešanās koeficientu, augstu stiprību un cietību, kā arī izcilu ķīmisko stabilitāti, padarot to par ideālu siltuma pārvaldības materiālu. Silīcija karbīdam ir arī zems termiskās izplešanās koeficients un izcila siltumvadītspēja. Iekļaujot dimantu kā pastiprinošu fāzi silīcija karbīdā, var iegūt dimanta/silīcija karbīda kompozītmateriālus ar regulējamiem termiskās izplešanās koeficientiem un augstu siltumvadītspēju. Salīdzinot ar dimanta-armētā metāla matricas kompozītmateriāliem, dimantam un silīcija karbīdam ir līdzīga struktūra, un to mitrināmība un termiskās izplešanās atbilstība ir daudz labāka nekā metāliem un dimantam.
02 Dimanta/silīcija karbīda kompozītmateriālu ražošanas procesi
Dimants ir pakļauts grafitizācijai augstā temperatūrā; iegūtajam grafītam ir ievērojami zemāka siltumvadītspēja un lieces izturība nekā dimantam. Lai veiksmīgi izgatavotu dimanta/silīcija karbīda kompozītmateriālus, būtiska ir efektīva dimanta grafitizācijas kontrole. Tā kā silīcija karbīda matricu nevar tieši infiltrēt dimanta sagatavē, silīcija karbīda matricu parasti iegūst silīcija-oglekļa reakcijās. Galvenie dimanta/silīcija karbīda kompozītmateriālu ražošanas procesi ir aptuveni šādi.
(1) Augstspiediena augsta temperatūras (HPHT) saķepināšana
HPHT metodē dimanta mikropulveris un tīrs silīcija pulveris tiek rūpīgi sajaukti un pēc tam pakļauti augstai temperatūrai un augstam spiedienam, lai izietu in situ reakciju, veidojot silīcija karbīdu, galu galā iegūstot dimanta/silīcija karbīda kompozītmateriālus. Šīs metodes priekšrocība ir tāda, ka augsta spiediena apstākļos dimants netiek pakļauts ievērojamai grafitizācijai, un atstarpes starp dimanta daļiņām var efektīvi samazināt, veidojot kompozītmateriālus ar lielu dimanta tilpuma daļu un augstu blīvumu. Tomēr augstspiediena process prasa dārgu aprīkojumu un rada ievērojamus ierobežojumus izgatavoto kompozītmateriālu formai.
(2) Spark Plazmas saķepināšana (SPS)
SPS ir līdzīgs HPHT, jo tas augstā temperatūrā un spiedienā saķepina un sablīvē sagatavi. Atšķirība slēpjas tajā, ka SPS izmanto augstas enerģijas elektriskās dzirksteles, lai radītu tūlītēju izlādi starp pulvera daļiņām, radot augstas temperatūras plazmu, kas izdala lielu daudzumu siltuma. Tāpēc SPS ir ātrs sildīšanas ātrums un īss saķepināšanas laiks. Turklāt saķepināšanas spiediens SPS ir zemāks nekā HPHT.
(3) Karstā izostatiskā presēšana (HIP)
HIP procesā dimanta un silīcija pulveri ievieto noslēgtā traukā un pakļauj vienādam spiedienam no visiem virzieniem, savukārt saķepināšana un blīvēšana tiek pabeigta paaugstinātā temperatūrā. HIP parasti darbojas ar spiedienu vairāku simtu megapaskālu diapazonā. Tās priekšrocības ietver zemāku saķepināšanas spiedienu un spēju ražot lielākus apjomus un sarežģītas formas paraugus. Tomēr process ir sarežģīts un tam ir zema ražošanas efektivitāte.
(4) Prekursoru infiltrācija un pirolīze (PIP)
PIP metode izmanto silīcija karbīda prekursoru (polikarbosilānu), kas tiek karsēts un pirolizēts, veidojot silīcija karbīdu, kas pēc tam kalpo kā matrica, kas savieno dimanta daļiņas. Šī procesa priekšrocības ir zemā saķepināšanas temperatūra, iespēja iegūt liela mēroga vai sarežģītas formas paraugus un kompozītmateriālā nav atlikušā silīcija. Tomēr, ņemot vērā prekursora zemo konversijas iznākumu, blīvuma uzlabošanai bieži ir nepieciešami vairāki cikli.
(5) Ķīmisko tvaiku infiltrācija (CVI)
CVI ir salīdzinoši viegls process; zemā infiltrācijas temperatūrā dimanta daļiņas paliek stabilas un tiek novērsta grafitizācija. Salīdzinot ar citām metodēm, silīcija karbīda fāze tiek iegūta no ķīmiskās tvaiku nogulsnēšanās uz materiāla virsmas, tāpēc silīcija fāzi var pilnībā novērst CVI procesa laikā. Ar šo metodi sagatavotajiem kompozītmateriāliem ir salīdzinoši zems blīvums, un tos parasti izmanto plānu lokšņu paraugu ražošanai.
(6) Reaktīvā infiltrācija (RI)
RI ir blīvēšanas process, kurā cieta viela tiek izkausēta karsējot un infiltrēta sagatavotā sagatavē. Atkarībā no stiegrojuma un matricas mitrināmības var izmantot vai nu spiediena palīdzību, vai bezspiediena infiltrāciju.
Šajā procesā dimanta daļiņas un grafīta pulveris tiek vienmērīgi sajaukti ar sveķiem, ko izmanto kā saistvielu, un pēc tam auksti vai karsti presē, veidojot sagatavi. Pēc tam sagatavi pakļauj atsaistīšanai un pirolīzei, lai pilnībā karbonizētu saistvielu un palielinātu sagataves porainību. Visbeidzot, silīcija infiltrāciju veic, karsējot vakuumā vai inertā atmosfērā. Infiltrācijas laikā šķidrais silīcijs reaģē ar pirolītisko oglekli un pievienoto grafīta pulveri, veidojot silīcija karbīdu. Pēc oglekļa reakcijas pabeigšanas atlikušās poras sagatavē tiek piepildītas ar šķidru silīciju, kā rezultātā veidojas blīvs dimanta/silīcija karbīda kompozīts. Salīdzinot ar citiem procesiem, RI nav nepieciešamas sarežģītas procedūras vai dārgs aprīkojums; process ir vienkāršs, taču ļauj veidot kompozītmateriālu gandrīz tīkla formā.